“圈养鸡”变成“散养鸡”，会飞的果蝇也“畏高” 给动物们戴上VR眼镜后……
科学家特别为动物虚拟实验设计的活体动物实验仪（资料图片）
小鼠被固定着头部，在虚拟画面的密闭空间里沿着一个滚动的圆形带状路面跑动（资料图片）
戴虚拟眼镜的鸡（资料图片）
【脑洞大开】
□那拉
VR（虚拟现实）技术得到迅猛发展后，给很多领域都带来了全新局面。比如一种“虚拟实验室”就已走进校园，给学生们进行生物实验、化学实验等带来了极大的便利，虽然它仍存在内容欠丰富、效果欠真实等实际问题，但这种技术还是在某种程度上，刷新了一个时代，加快了我们对科学的探知，为我们打开了更多未知的世界。
近几年，科学家们在VR的研究上继续深入，还提出一种“动物虚拟现实实验”。他们给小动物们戴上了VR眼镜，让它们处于不同的VR环境中，再去观察它们的各种生理反应，也带来了一些意想不到的科学课题的进展。比如美国普林斯顿大学的David Tank小组，通过建立一种小鼠可用的VR模拟器，研究小鼠的“内在导航系统”，由此率先描述了这种导航系统——这项突破性成就已获得2014年的诺贝尔生理学或医学奖。
当你还在觉得“戴上VR眼镜会头晕”的时候，那些小动物已在“虚拟现实”中实现了它们的另一种“生物价值”。
几个有趣的动物VR实验
我们先来看几个有趣的经典实验案例。
第一个是“飞蛾飞行模拟器”。
《神经科学方法杂志》在2002年10月30日首次发表了一个关于飞蛾飞行模拟器的虚拟现实实验。
执行该试验的小组描述，这是“一项低成本且新颖的基于虚拟现实的昆虫飞行模拟器，将视觉、嗅觉和机械感应刺激与多通道神经生理记录技术相结合。”他们实际上是将飞蛾作为一个游戏的主角开始介入，让飞蛾投入一个虚拟现实的“游戏”，然后观测它的种种反应。最后得出的结论是：蛾类在“虚拟现实游戏”中会呈现出“类似于在自由飞行中观察到的信息元素”。
这个实验或许为后来的实验奠定了实验基础：证明动物在虚拟现实环境中，也会作出如同在正常环境中一样的生理反应。
第二个是“果蝇看VR游戏”。
2013年公开发表的一篇文章称，科学家们利用VR来研究果蝇的神经行为，结果发现这些小昆虫实际上有自我意识。
他们将果蝇放到一个屏幕前，屏幕上播放着虚拟现实电子游戏，在这个过程中，他们监测着果蝇大脑的活动。研究有趣的地方在于，他们尝试了两种情况：一种是固定果蝇的头部在屏幕前，另一种是让果蝇在自由活动状态参与实验。结果发现，如果限制动物的行为，可能会产生误导性的研究结果，被限制的动物与自由动物相比，VR环境下海马区域的活跃细胞更少。
结果还显示，动物们在虚拟环境下，也会出现与真实情况中相同的对于高度的恐惧。
第三个是“VR大鼠迷宫”。
2018年9月，英国伦敦大学学院神经科学家Aman Saleem发表了一项关于“VR小鼠迷宫”的研究结果。他们把小鼠放进了一个支持虚拟导航系统的VR环境的封闭式迷宫中，让小鼠在一个类似球面跑步机的设备上进行运动，让小鼠“与计算机生成的视觉环境相互作用，并产生空间行为”，然后观测小鼠大脑活动。
研究发现，在小鼠大脑海马区内对小鼠奔跑位置作出反应的细胞，在某种程度上能改变视皮质内细胞的放电方式。这一发现又带动了一连串的后续实验，让研究人员发现动物的行为会改变整个大脑的活动，比如小鼠运动时的视觉神经元放电速度是不运动时的两倍等。
第四个是“戴VR眼镜的圈养鸡”。
2016年，美国爱荷华州立大学助理教授Austin Stewart为尝试了解家禽在高密度居住环境中所产生的热量、排泄物总量等数据，也给鸡戴上了虚拟现实眼镜。
他让生活在高密度鸡舍中的鸡戴上VR眼镜，让它们觉得仿佛自由自在地生活在户外的鸡圈中，不但可以多角度地观赏到广阔环境中的美景，还可以自由探索虚拟草地。
研究者认为，这个实验可能可以揭示人类、动物与世界的某种关系，因为现代人其实越来越像那些鸡舍的圈养鸡一样“生活在高密度环境中”。
进展：持续升温，技术升级
我们可能玩过VR赛车游戏，沉浸在游戏中的玩家应该知道自己不是真的在开赛车，但他们的大脑仍然会去执行高效的处理任务，激活和真实驾驶一样的视觉处理过程。动物VR实验里的动物其实也一样，只是它们不一定会知道自己身处在一个虚拟环境中。这让动物VR实验的研究结果曾遭到质疑。无疑，实验环境越接近真实环境，实验结果才越有参考价值。但动物VR研究在持续升温中，人们还在不断改进动物VR实验的环境。
比如美国Stryker实验室，在David Tank小组的设计基础上对实验装置进行改造，已能从小鼠大脑中的导航细胞和视觉细胞进行内部记录，并分析它们之间的相互影响；在霍华德·休斯医学研究所的Janelia研究园里，他们让小鼠在漆黑环境里跑动，然后让它胡须两边的平板电脑屏时而靠近时而远离，让小鼠误以为自己身在一个会伸缩的通道里；在美国的西北大学，研究人员让球形跑步机上的小鼠追随气味奔跑，然后气味会随小鼠的步伐改变强弱……其实都是想让VR实验环境更接近真实，更接近于一个完整的生态系统。
从另一个方面来看，其他高端技术的开发也给动物VR实验带来更广阔的前景。
2011年的一项研究结合实时视频跟踪系统，测试“自由游动的斑马鱼幼虫对不同视觉刺激的行为反应”，研究人员在解释为什么选择斑马鱼时说：“动物的半透明性可以更便于对神经活动进行非侵入性的成像。”而最近，美国明尼苏达大学的研究人员在《自然·通信》期刊上发表论文，称已可以使用透明头骨植入物在老鼠大脑中打开一个透明窗口，从而更直接地观察到小鼠大脑是如何运作的。这无疑也让动物VR实验“更上层楼”，可以比仅仅在小鼠头部贴上电极片来获取脑电波的强弱更直接地观察到大脑的活动情况。这就犹如在小鼠大脑上打开一个“窗口”，能对小鼠大部分大脑皮层区域进行“可视化的交互研究”。
这些研究还可以帮助科学家研究各种人类大脑状况，比如脑震荡、阿尔茨海默氏症等。神经科学家Timothy Ebner说：“有些实验我们在人类身上是无法做到的，所以这些研究对于我们对大脑如何运作的研究非常重要。”
从长远来看，随着技术的不断进步，所有实验中的虚拟成分肯定会越来越接近真实，那应该可以让我们完成更多从前“不可能完成的研究”。
意义：为实验提供更多可能
上面提到的“小鼠VR迷宫”，其实只是众多类似实验中的一个代表。早在2005年就有研究人员报告过一个用于大鼠实验的VR系统原型。但直到美国普林斯顿大学的David Tank小组建立小鼠可用的VR模拟器，并凭研究成果获2014年诺贝尔奖后，这一方法才逐渐成为实验室的主流。
在过去十年里，已有至少几十个团队在尝试将各种动物放入VR模拟场景中进行研究实验。固定住动物的头部，让它们进入VR世界，再来检测它们的真实反应，的确要比追踪它们在真实世界中的各种反应更加容易。
虽然曾有人质疑这种实验的必要性，但人们最终发现，这种动物VR实验，的确可以实现更多以前不可能做到的效果。在这个过程中，VR研究人员也发现了更多方法和途径，去理解大脑是如何构建对外部世界的感知的。
美国加州大学旧金山分校从事视觉研究的神经科学家Michael Stryker是这项2010年突破性研究的作者，他就认为“VR给整个神经科学来了一剂强心针”。VR技术能让动物错以为自己正在自由活动——即使在其头部无法动弹的情况下。这让研究人员可以使用复杂的脑部记录技术，如从神经元内部进行电信号记录，或是利用光学显微术成像大量的神经元。比如研究斑马鱼幼体的研究人员将斑马鱼的头部固定在琼脂块中，让其尾部任意摆动，就像在游泳一样，从而得到了简化版的神经环路活动图。
德国弗赖堡大学的研究人员通过一种“活体动物VR仪”，将果蝇、鱼等集体生存的动物放入VR环境，从而更详细地了解到，在社会环境中的动物大脑是如何发挥功能的，以及各种社会因素对动物行为的影响。这一研究成果公布在2017年8月21日的《自然·方法》杂志上。研究中发现，斑马鱼群中的领头鱼是通过平衡它的游泳方向这一有倾向性的行为，来与其“下属”的鱼群维系社会关系的，这样它可以最大限度地减少失去“追随者”的风险。
尽管有些实验在目前来看或许比较无聊，比如有个叫“一只蟑螂的远足”的VR实验，就是刺激一只蟑螂在VR环境中活动，然后研究人员跟踪并收集蟑螂在“VR森林”中的“探究行为轨迹”。但就算如此，这类实验其实也提供给大众一种从未有过的有趣体验。可能还为一些虚拟现实电子游戏提供了灵感——说不定那款惊吓过不少人的《蟑螂VR》电子游戏，与这个VR实验也有什么关联呢。
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